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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung
der absoluten Winkellage eines Rotors in einem Elektromotor.
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Stand der Technik
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Zur
Erfassung des Drehwinkels bzw. der Winkellage bei rotatorischen
Elektromotoren werden üblicherweise
geeignete Sensoren verwendet. Diese Sensoren können beispielsweise Positionsgeber
auf der Motorwelle des Elektromotors, an dem Rotor des Elektromotors
bzw. auf sonstigen durch den Elektromotor bewegten Teilen aufweisen.
Die Positionsgeber können
beispielsweise in Form von Ringmagneten, Pulsscheiben oder sonstigen
Informationsträgern
ausgebildet sein und mit einem Detektor zusammen wirken, der mindestens
eine Stellung des Rotors des Elektromotors eindeutig einer absoluten
Winkellage zuordnen kann.
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Als
Detektoren werden beispielsweise Hall-Sensoren verwendet, die eine
von dem anliegenden Magnetfeld abhängige Hall-Spannung bereitstellen, über die Änderungen
des Magnetfelds erkannt werden können.
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Alternativ
kann auf indirekte Weise der Strom bei der Ansteuerung von Wicklungen
des Elektromotors mit einer Ansteuerspannung ausgewertet werden
und Schwankungen der Stromstärke
integriert werden, um die absolute Lage zu ermitteln. Neben diesem
Verfahren besteht die Möglichkeit,
die Nuten eines Kommutators eines Elektromotors über die Stromaufnahme zu identifizieren. Überstreichen mehrere
Bürsten
einer Bürstenanordnung
des Kommutators eine oder mehrere Nuten, werden dadurch zwei oder
mehr als zwei Wicklungen des Rotors parallel geschaltet. Der veränderte gesamte
Widerstand der Parallelschaltung bezüglich dem einer einzelnen Wicklung
oder dem einer Parallelschaltung einer davon verschiedenen Anzahl
von Wicklungen kann durch einen erhöhten Strom erfasst werden,
der durch geeignete Maßnahmen
ausgewertet werden kann.
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Eine
Drehzahlerfassung bei Gleichstrommotoren kann beispielsweise über eine
Auswertung des Verlaufs des aufgenommen Stroms erfolgen. Die Stromschwankungen,
die aufgrund des veränderten ohmschen
Widerstands der Parallelschaltung hervorgerufen werden, wenn eine
Nut des Kommutators an einer entsprechenden Kommutatorbürste vorbeiläuft, werden
dazu im Zeitbereich ausgewertet. Bei dieser Maßnahme wird durch eine geeignete
Filterung ein diskretes Signal erzeugt, welches das Auftreten einer Nut
anzeigt. Nachteilig ist jedoch, dass durch die schwach ausgeprägten Stromschwankungen
eine eindeutige Signalauswertung schwer zu erreichen ist. Die entsprechenden
Filter sind sowohl in diskreter Form als auch durch geeignete Algorithmen
aufwendig zu realisieren und schwer abzustimmen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Bestimmung des
absoluten Lagewinkels eines Elektromotors ohne Verwendung eines
Sensors bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch die Vorrichtung zum Bestimmen einer absoluten
Winkellage gemäß Anspruch
1 sowie durch das Motorsystem sowie das Verfahren gemäß den nebengeordneten
Ansprüchen gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt ist eine Vorrichtung zum Bestimmen einer absoluten
Winkellage eines Rotors eines Elektromotors vorgesehen, wobei der
Elektromotor einen Rotor mit mehreren Wicklungen, die jeweils ein
oder mehrere Spulenelemente aufweisen, umfasst, wobei der komplexe
Widerstand mindestens einer der Wicklungen von dem komplexen Widerstand
der anderen der mehreren Wicklungen verschieden ist, wobei eine
oder mehrere der Wicklungen abhängig
von einer Winkellage des Rotors über
ein Bürstenpaar
eines Kommutators kontaktierbar sind; umfassend:
- – einen
Schwingkreis, der mit mindestens einer über den Kommutator an die durch
das Bürstenpaar
kontaktierte Wicklung gebildet ist;
- – einen
Verstärker,
der mit dem Schwingkreis verbunden ist, um die Schwingung des Schwingkreises
anzuregen;
- – eine
Auswerteeinheit, um die Frequenz der Schwingung zu erfassen und
eine Angabe der Frequenz als Angabe über die absolute Winkellage
bereitzustellen.
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Die
obige Vorrichtung ermöglicht
es, in einfacher Weise ohne Vorsehen eines zusätzlichen Sensors die absolute
Winkellage des Rotors anhand einer Schwingfrequenz eines durch die
jeweils kontaktierte Wicklung gebildeten Schwingkreises zu bestimmen.
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Weiterhin
kann der Schwingkreis mit Hilfe einer Kapazität gebildet werden, die über Kopplungselemente
induktiv oder kapazitiv mit das Bürstenpaar kontaktierenden Ansteuerleitungen
verbunden ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann die Auswerteeinheit als Frequenzzähler ausgebildet sein, um die
Anzahl der Schwingungen während
eines vorbestimmten Zeitfensters zu messen, und die gemessene Anzahl
als Angabe über
die Frequenz bereitzustellen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einem Elektromotor vorgesehen,
der einen Rotor mit mehreren, jeweils ein oder mehrere Spulenelemente
aufweisenden Wicklungen, und mit der obigen Vorrichtung, wobei der
komplexe Widerstand mindestens einer der Wicklungen von dem komplexen
Widerstand der anderen der mehreren Wicklungen verschieden ist,
wobei eine oder mehrere der Wicklungen abhängig von einer Winkellage des
Rotors über
ein Bürstenpaar
eines Kommutators kontaktierbar sind.
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Weiterhin
kann der komplexe Widerstand der mindestens einen Wicklung
- – durch
serielles oder paralleles Verschalten mit einem Bauelement mit einem
imaginären
Widerstand; und/oder
- – durch
eine veränderte
Anzahl von Windungen der Spulenelemente mindestens einer Wicklung; und/oder
- – durch
eine geschichtete Anordnung der Spulenelemente der mindestens einen
Wicklung an einem Anker des Rotors bezüglich der anderen der mehreren
Wicklungen; und/oder
- – durch
eine veränderte
Lage eines der Spulenelemente der mindestens einen Wicklung an einem Anker
des Rotors bezüglich
der anderen der mehreren Wicklungen bestimmt sein.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann jede der Wicklungen mit einem von den anderen Wicklungen verschiedenen
komplexen Widerstand versehen sein.
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Insbesondere
kann der Kommutator ausgebildet sein, um, abhängig von einer Winkellage des Rotors
entweder eine erste Anzahl von Wicklungen oder eine davon unterschiedliche
zweite Anzahl von Wicklungen gleichzeitig so zu kontaktieren, dass
diese parallel zueinander verschaltet sind.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen einer absoluten
Winkellage eines Rotors eines Elektromotors vorgesehen, wobei der
Elektromotor einen Rotor mit mehreren Wicklungen, die jeweils ein
oder mehrere Spulenelemente aufweisen, umfasst, wobei der komplexe
Widerstand mindestens einer der Wicklungen von dem komplexen Widerstand
der anderen der mehreren Wicklungen verschieden ist, wobei eine
oder mehrere der Wicklungen abhängig
von einer Winkellage des Rotors über
einen Kommutator kontaktiert werden. Das Verfahren umfasst die folgenden
Schritte:
- – Anregen
eines, insbesondere mit Hilfe einer Kapazität, mit einer über das
Bürstenpaar
kontaktierten Wicklung gebildeten Schwingkreises, so dass der Schwingkreis
mit seiner Resonanzfrequenz schwingt;
- – Erfassen
der Frequenz der Schwingung;
- – Bereitstellen
einer Angabe der Frequenz als Angabe über die absolute Winkellage.
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Weiterhin
kann anhand der Angabe der Frequenz eine erste Anzahl der Wicklungen,
die durch den Kommutator kontaktiert wird, oder eine Parallelschaltung
von einer davon verschiedenen zweiten Anzahl der Wicklungen, die
durch entsprechende Schleifkontakte des Kommutators kontaktiert
wird, durch Zuordnung bestimmt werden, wobei die Winkellage des
Rotors des Elektromotors aus der bestimmten Wicklung oder den bestimmten
Wicklungen ermittelt wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
die Winkellage des Rotors durch Vergleichen eines Abschnittes des
Verlaufs des resultierenden Signals mit einem vorbestimmten Signalprofil
ermittelt werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Motorsystems zur Realisierung der Erfassung
einer absoluten Winkellage des Rotors eines Gleichstrommotors;
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2 eine
Querschnittsansicht auf den Gleichstrommotor der 1 mit
einem Kommutator und Rotorwicklungen;
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3a und 3b schematische
Darstellungen der Funktionsweise des Kommutators des Gleichstrommotors
nach 1;
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4 eine
Darstellung der verschiedenen Winkellagen, die bei einem Elektromotor
mit Wicklungen verschiedenen komplexen Widerstands detektiert werden
können.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit
einem Steuergerät 2,
an das ein Gleichstrommotor 3 angeschlossen ist. Das Steuergerät 2 umfasst
einen Mikrocontroller 4 und eine Endstufe 5, die
mit Hilfe von (nicht gezeigten) Leistungsschaltern ausgebildet ist.
Der Mikrocontroller 4 steuert die Leistungsschalter der
Endstufe 5 mit Hilfe einer Ansteuereinheit 19 so
an, dass entsprechend einem dem Mikrocontroller 4 von extern
vorgegebenen Steuersignal S eine Gleichspannung über eine Ansteuerleitung 8 an
den Gleichstrommotor 3 angelegt wird, um den Gleichstrommotor 3 mit
elektrischer Energie zu versorgen. Die Gleichspannung kann beispielsweise
mit Hilfe eines Pulsmodulationsverfahrens, insbesondere einem Pulsweitenmodulationsverfahren,
bereitgestellt werden, bei dem ein von der Stellgröße abhängiges Tastverhältnis angelegt
wird. Der Gleichstrommotor 3 ist mit einem ersten Anschluss
mit der Ansteuerleitung 8 und mit einem zweiten Anschluss über eine
Masseleitung 9 mit einem Masseanschluss GND verbunden.
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Weiterhin
kann eine Kapazität 6 vorgesehen sein,
die mit einem ersten Anschluss über
ein erstes Kopplungselement 7 mit der Ansteuerleitung 8 und über ein
zweites Kopplungselement 10 mit der Ansteuerleitung 9 mit
seinem zweiten Anschluss verbunden ist. Das erste Kopplungselement 7 und
das zweite Kopplungselement 10 können als einfache elektrische
Verbindungen der Anschlüsse
des Kondensators 6 mit der Ansteuer- bzw. Masseleitung 8, 9 vorgesehen
sein. Allgemein können
die Kopplungselemente 7, 10 eine induktive oder
kapazitive Kopplung vorsehen. Auch transformatorische Kopplungen der
Kapazität 6 mit
der Ansteuerleitung 8 und der Masseleitung 9 sind
denkbar. Die Kapazität 6 bildet mit
den aktuell kontaktierten Spulenelementen der Spulenwicklungen im
Rotor des Elektromotors 3 einen elektrischen Schwingkreis
mit einer Eigenfrequenz, die sich aus der Induktivität der Spulenelemente
des Elektromotors 3 und der Kapazität des Kondensators 6 ergibt.
Der so gebildete Schwingkreis ist mit einem Verstärker 11 gekoppelt,
der die Schwingung des Schwingkreises verstärkt, so dass der Schwingkreis
bei seiner Eigenfrequenz schwingt.
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Weiterhin
können
(optional) ein erstes Filterelement 14, das zwischen dem
Kopplungselement 7 bzw. der Kopplungsstelle und der Endstufe 5 angeordnet
ist, und ein zweites Filterelement 15, das zwischen dem
zweiten Anschluss des Gleichstrommotors 3 und dem Masseanschluss
GND angeordnet ist, vorgesehen sein. Das erste Filterelement 14 verhindert
eine Ausbreitung des von dem Schwingkreis generierten Frequenzsignals
auf die Signalleitungen der Leistungsschalter der Endstufe 5 und
auf die Gleichstromleitungen der Leistungsschalter der Endstufe 5 und
damit auch auf andere Bereiche innerhalb und außerhalb des Steu ergeräts 2,
die von der erzeugten Frequenz nicht beeinflusst werden dürfen. Das
zweite Filterelement 15 verhindert eine Beeinflussung des
Massepotenzials durch das Frequenzsignal.
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Die
Filterelemente 14, 15 können beispielsweise einen Sperrfilter
aufweisen, der die von dem Schwingkreis generierten Frequenzen herausfiltert. Alternativ
können
die Filterelemente 14, 15 beispielsweise einen
Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz aufweisen, die unter der
kleinsten, vom Schwingkreis bereitgestellten Frequenz des Frequenzsignals
liegt.
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Die
beiden Anschlüsse
des Kondensators 6 sind mit einem Frequenzzähler 17 als
Auswerteeinheit verbunden, der die Resonanzfrequenz des Schwingkreises,
der aus dem Kondensator 6 und den Spulenelementen der kontaktierten
Rotorwicklung gebildet wird, einstellt. Der Frequenzzähler 17 kann beispielsweise
ausgebildet sein, um innerhalb eines bestimmten Zeitfensters die
Anzahl der Schwingungen zu zählen
und den Zählerwert
als Angabe über die
Resonanzfrequenz des Schwingkreises heranzunehmen.
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Der
Kondensator 6 ist optional, da die aktuell kontaktierten
Spulenelemente der Spulenwicklungen im Rotor des Elektromotors 3 ebenfalls
eine Kapazität
aufweisen können,
die in Verbindung mit deren Induktivitäten einen entsprechenden Schwingkreis
bilden. Der Verstärker 11 kann
dann über
die Kopplungselemente 7, 10 mit dem durch die
Spulenelemente gebildeten Schwingkreis verbunden sein.
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Das
Zeitfenster, während
der die Schwingungen gezählt
werden, ist vorzugsweise größer als
die Periodendauer der sich einstellenden Schwingfrequenzen des Schwingkreises.
Um eine ausreichende Diskriminierung bei der Bestimmung der Schwingfrequenz
des Schwingkreises zu erhalten, ist vorzugsweise die Periodendauer
kleiner 1/5 oder besser noch kleiner 1/10 der Periodendauer der
größten möglichen
Schwingfrequenz des Schwingkreises.
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Wie
in der Draufsicht auf eine Schnittansicht des Gleichstrommotors 3 in
axialer Richtung der 2 dargestellt ist, weist der
Gleichstrommotor 3 fünf
Wicklungen 32 auf, die jeweils zwei bezüglich einer Rotorwelle 34 des
Rotors 31 ge genüberliegende Spulenelemente 33 umfassen.
Ein Stator 35 des Elektromotors 3 weist einander
gegenüberliegende Pole 39 eines
oder mehrerer Permanentmagneten auf und ist um den Rotor 31 angeordnet,
so dass sich der Rotor 31 um die Rotorwelle 34 frei
im Inneren des Stators 35 drehen kann.
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Der
Gleichstrommotor 3 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
so vorgesehen, dass deren Wicklungen 32 mit Hilfe eines
Kommutators 36 elektrisch kontaktiert werden können. Der
Kommutator 36 weist dazu um die Rotorwelle 34 angeordnete Schleifkontakte 38 auf,
die jeweils mit einer Wicklung 32 in Verbindung stehen.
Die Schleifkontakte 38 sind voneinander durch Nuten 40 elektrisch
isoliert. Jeweils einander gegenüberliegende
Schleifkontakte 38 kontaktieren eine der Wicklungen 32.
Die Schleifkontakte 38 werden je nach Winkellage mit Hilfe
eines Bürstenpaares 37 mit
zueinander bezüglich
der Rotorwelle 34 gegenüberliegenden
Bürsten
kontaktiert. Allgemein sind die Schleifkontakte 38 und
die Bürsten
des Bürstenpaares 37 so
angeordnet, dass bei einer bestimmten Stellung des Rotors 31 die Bürsten des
Bürstenpaares 37 genau
eine Wicklung 32 des Rotors 31 kontaktieren.
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Der
Kommutator 36 kann, wie in den 3a und 3b dargestellt
ist, ausgebildet sein, um bezüglich
des Rotors 31 die zwei (in den 3a und 3b gezeigten)
Kontaktierungszustände
einzunehmen, die bei einer Rotation des Rotors 31 wechselweise
eingenommen werden. In dem in 3a gezeigten
Rotationszustand kontaktiert ein Bürstenpaar 37 des Kommutators 36 eine
einzelne Wicklung 32 des Gleichstrommotors 3 und
beim Kontaktierungszustand der 3b kontaktiert
das Bürstenpaar 37 des
Kommutators 36 zwei Wicklungen 32 des Gleichstrommotors 3 über Nuten 40 zwischen zwei
benachbarten Schleifkontakten 38 hinweg. Allgemein kann
das Bürstenpaar 37 eine
erste Anzahl von Wicklungen 32 in einem Kontaktierungszustand und
eine zweite Anzahl von Wicklungen 32 in einem weiteren
Kontaktierungszustand kontaktieren.
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Weiterhin
unterscheiden sich in der Praxis fertigungsbedingt die einzelnen
Wicklungen 32 hinsichtlich ihres komplexen Widerstands,
so dass jeder Wicklung 32 ein individueller komplexer Widerstand zugeordnet
werden kann. Wird festgestellt, dass die Unterschiede zwischen den
komplexen Widerständen
der einzelnen Wicklungen 32 nicht ausreichend groß sind,
so können
diese mit geeigneten passiven Bauelementen beschaltet werden, um
jede der Wicklungen 32 mit einem individuellen komplexen
Widerstand zu versehen, der sich von dem komplexen Widerstand mindestens
einer der übrigen
Wicklungen 32 unterscheidet. Die Auswertung des komplexen Widerstands
derjenigen Spulenwicklung 32 des Rotors 31, die
gerade durch das Bürstenpaar 37 kontaktiert
wird, kann somit eine Angabe über
die absolute Winkellage des Rotors 31 des Gleichstrommotors 3 angeben.
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Um
den komplexen Widerstand einer der Spulenwicklungen 32 des
Elektromotors 3 von anderen Spulenwicklungen 32 unterscheidbar
zu machen, kann beispielsweise eine veränderte Lage der Spulenwicklung 32 auf
den Ankern des Rotors 31, eine Schichtung der Spulenwicklung 32,
eine Serienschaltung der Spulenwicklung 32 mit einem Bauelement mit
einem realen bzw. komplexen Widerstand, eine Parallelschaltung der
Spulenwicklung 32 mit einem Bauelement mit einem realen
und/oder komplexen Widerstand oder das Vorsehen eines verschiedenen magnetisch
aktiven Materials im Inneren der Spulen der Spulenwicklungen 32 vorgesehen
werden. Auch andere Maßnahmen
wie z. B. eine von den anderen Spulenwicklungen 32 abweichende
Windungszahl und dergleichen sind denkbar, so lange sie nicht den gewünschten
Betrieb des Elektromotors beeinträchtigen, insbesondere nicht
eine Unwucht in dem Rotor 31 des Gleichstrommotors 3 hervorrufen.
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Wenn
eine bestimmte Spulenwicklung 32 mit dem eingestellten
elektrischen Parameter über
den Kommutator 36 kontaktiert wird, befindet sich der Kommutator 36 in
einer bestimmten Kommutatorstellung. Da der Kommutator 36 fest
mit der Rotorwelle 34 des Gleichstrommotors 3 verbunden
ist, ist damit auch die Winkellage der Rotorwelle 34 bestimmbar. Auch
können
mehrere oder alle Spulenwicklungen 32 mit unterschiedlichen
elektrischen Parametern, insbesondere mit unterschiedlichen elektrischen
Induktivitäten,
versehen sein, so dass mehrere, insbesondere der doppelten Anzahl
der Spulenwicklungen 32 entsprechende, absolute Winkellagen
der Rotorwelle 34 unterschieden werden können. Allgemein bestimmt
die Anzahl der Schleifkontakte 38 die mögliche Auflösung bzw. die Anzahl der detektierbaren Winkellagen
der Rotorwelle 34. Durch Detektieren einer Abfolge von
sich aus den elektrischen Parametern ergebenden Schwingfrequenzen
des Schwingkreises bei einem Betrieb des Gleichstrommotors 3 kann weiterhin
eine Drehrichtung der Rotorwelle 34 und deren Drehgeschwindigkeit
ermittelt werden.
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Das
momentan von dem Bürstenpaar 37 kontaktierte
Spulenpaar 33 wird wie folgt festgestellt. Der aus dem
Kondensator 6 und der jeweils kontaktierten Spulenwicklung
bzw. Spulenwicklungen resultierende Schwingkreis beginnt, angeregt
durch den Verstärker 11,
zu schwingen und es stellt sich eine Schwingfrequenz ein, die der
Resonanzfrequenz des Schwingkreises entspricht. Die Resonanzfrequenz des
Schwingkreises ist von der Induktivität der zwischen den Bürsten des
Bürstenpaares
liegenden Induktivität
und der Kapazität
des Kondensators 6 bestimmt. An den Anschlüssen des
Kondensators 6 wird das Schwingungssignal abgegriffen und
in dem Frequenzzähler 17 wird
entsprechend die sich einstellende Schwingfrequenz ermittelt. Die
sich einstellende Schwingfrequenz wird in geeigneter Weise an den
Mikrocontroller 4 kommuniziert. Dies kann in digitaler
Weise als auch durch ein analoges Spannungssignal erfolgen, dessen
Höhe die
detektierte Frequenz angibt. Zur Wandlung eines analogen Signals
zur Angabe der sich einstellenden Schwingfrequenz kann ein Analog-Digital-Wandler 18 vorgesehen
sein.
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In 4 ist
ein möglicher
Verlauf der Frequenzen des Schwingungssignals bei einer Drehung des
Rotors erkennbar. Man erkennt, dass je nach Lage des Rotors sich
eine unterschiedliche Schwingfrequenz einstellt. Zwischen den Bereichen
der unterschiedlichen Schwingfrequenz befinden sich Einbrüche der
Schwingfrequenz, wenn zwei Spulenwicklungen des Rotors gleichzeitig
kontaktiert werden, wodurch sich die Induktivität erhöht und damit die Resonanzfrequenz
des Schwingkreises vermindert wird. In einem Referenzlauf kann das
Profil eines individuellen Elektromotors 3 eingelernt werden,
und die sich einstellenden Resonanzfrequenzen in einer entsprechenden
Speichereinheit 16 in dem Mikrocontroller 4 gespeichert
werden. Im späteren
Normalbetrieb wird dann die sich jeweils einstellende Schwingfrequenz
mit den in der Speichereinheit 16 abgelegten Schwingfrequenzen
verglichen und bei Übereinstimmung
der gemessenen Schwingfrequenz mit einer der in der Speichereinheit
abgelegten Schwingfrequenzen wird die entsprechende der gespeicherten
Schwingfrequenz zugeordnete Rotorlage ermittelt und entsprechend
bereitgestellt bzw. ausgegeben.
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Durch
das Feststellen der absoluten Winkellage kann eine durch Integrieren
oder auf sonstige Weise durch Differenzgrößen ermittelte absolute Winkellage
zyklisch korrigiert oder normiert werden. Dadurch wird eine mögliche Abweichung
der tatsächlichen
von der zu erwartenden Winkellage minimiert oder sogar eliminiert.